BLOQUE 1: Neumática
1
Departamento:
Area:
Ingeniería Eléctrica y Energética Máquinas y Motores Térmicos
CARLOS J RENEDO renedoc@unican.es
INMACULADA FERNANDEZ DIEGO fernandei@unican.es JUAN CARCEDO HAYA juan.carcedo@unican.es FELIX ORTIZ FERNANDEZ felix.ortiz@unican.es
Las trasparencias son el material de apoyo del profesor para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura.
Al alumno le pueden servir como guía para recopilar información (libros, …) y elaborar sus propios apuntes En esta presentación se incluye un listado de problemas en el orden en el que se pueden resolver siguiendo el desarrollo de la teoría. Es trabajo del alumno resolverlos y comprobar la solución
BLOQUE 1: Neumática
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1.- Neumática Industrial
2.- Hidráulica Industrial
0.- Simbología Neumática e Hidráulica
1.1.- Introducción a la Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento de Aire
1.3.- Generación y Distribución de Aire 1.4.- Actuadores Neumáticos
1.5.- Válvulas Distribuidoras
1.6.- Regulación, Control y Bloqueo 1.7.- Detectores de Señal
1.8.- Control de Actuadores 1.9.- Diseño de Circuitos 1.10.- Ciclos de Operación 1.11.- Marcha-Paro
1.12.- ElectroNeumática
3
Humedad del Aire
Calidad del Aire
Tratamiento del Aire
Reguladores de Presión
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
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Humedad Absoluta (W): Cantidad de agua contenida por m 3 de aire
Humedad Relativa (HR):
porcentaje de humedad del aire sobre la humedad máxima
T rocío : Temperatura por debajo de la cual la humedad ambiente empieza a condensar
El aire atmosférico contiene humedad ambiente (Diagrama Psicrométrico)
Aire Saturado: aire que contiene toda la humedad posible, si se añade más agua esta condensa; la cantidad de agua depende de las condiciones del aire
Humedad del Aire (I)
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
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Humedad Absoluta (W): Cantidad de agua contenida por m 3 de aire
Humedad Relativa (HR):
porcentaje de humedad del aire sobre la humedad máxima
T rocío : Temperatura por debajo de la cual la humedad ambiente empieza a condensar
El aire atmosférico contiene humedad ambiente (Diagrama Psicrométrico)
Aire Saturado: aire que contiene toda la humedad posible, si se añade más agua esta condensa; la cantidad de agua depende de las condiciones del aire
Humedad del Aire (I)
10 30
50
70
90
110
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
5 10 15 20 25 30 0,95 m
3/kg as
0,4
0,5
0,6
0,7 0,8 0,9 1,0 H ume dad e specífica ( g/k g
as)
F.C.S.
0,8
0,85
0,9
Temperatura seca ºC 80%
60%
40%
20%
100%
Lectura de un punto
T s
W
T h T r
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6 (T BS – T BH )
gasa
humedecida T BS T BH
Aire Termómetros:
• Temperatura de bulbo seco, T BS (T aire )
• Temperatura de bulbo húmedo, T BH (T agua ) T BS = T BH aire saturado
T BS > T BH aire no saturado (T BS – T BH ) en tablas HR
Si (T BS >>> T BH ) HR baja
Si (T BS T BH ) HR alta
Humedad del Aire (II)
7 Compresión
supuesta adiabática Al comprimir el aire ↓V HR ↑ Al comprimir el aire ↑T HR ↓
La cantidad de agua que es capaz de contener 1 m 3 de aire es función de su temperatura, y no de su presión
W max = f (T)
Predominante
10 m 3 , 1 bar, 20ºC 10 gr agua /m 3 (100 gr de agua)
1,93 m 3 10 bar 292ºC (100 gr de agua)
52 gr agua / m 3 Utilizando
Progases Humedad del Aire (III)
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En la cámara del cilindro de un compresor hay 1 litro de aire (P atm ). Que presión
se crearía si se redujera el volumen lentamente hasta 0,1 litros
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En un acumulador de 100 litros el manómetro marca 10 bar cuando la T es de 20ºC. Que presión marcará si la T sube a 35ºC
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
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En un acumulador de 100 litros el manómetro marca 10 bar cuando la T es de
100ºC. Que presión marcará si la T baja a 20ºC
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Un cilindro vertical que soporta una masa de 70 kg, contiene en su cámara un volumen de 5 litros de aire a 20ºC. Cuanto se eleva la masa si su temperatura asciende a 50ºC. (sección del cilindro 10 cm 2 )
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El émbolo de un compresor aspira 1 litro de aire atmosférico a 20ºC. Cuando el
volumen se ha reducido a 0,25 litros se abre la válvula de impulsión y el aire va
hacia un acumulador, ¿a que presión relativa es impulsado, ¿a que T (suponer
sin intercambio de calor)?, ¿qué presión habrá después de llenar un acumulador
de 50 litros si se refrigera a 25ºC?
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13 Relación de la Temperatura (T), la Humedad del (W) y la Humedad Relativa (HR) del aire Humedad del Aire (IV)
1 2 3 4 5 10 20 30 40 50 100 W (g/m 3 )
T (ºC)
-20 -10 0 10 20 30 40
0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1 HR
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Un compresor aspira 6 m 3 /min de aire a 20ºC y un 60% de HR. Si el aire en la instalación está a 6 bar y 30ºC, calcular la cantidad de agua que condensa al cabo de 8 h de trabajo
1 2 3 4 5 10 20 30 40 50 100 W (g/m 3 )
T (ºC)
-20 -10 0 10 20 30 40
0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1
HR
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Humedad del Aire (VII)
-20 0 20 40
-40
Pto de Rocío a P atm (ºC)
0
-20
-40 20 50
-60
Pto de Rocío a P (ºC)
20 Agua (g/m 3 N de aire saturado)
1 52
0,6 2 4 10 30
0,15 0,3 Relación del Pto de Rocío con la
presión del Aire
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Humedad del Aire (VIII)
P abs (bar)
70 20
Agua por m 3 de aire (gr/m 3 )
1 10
2 4
0,3 0,2 0,1 0,4 0,5 0,6 1,0 3 5 7 30
40 50 70 100
2 3 4 5 7 10 14 20 P man (bar) 0 1 2 3 4 6 9 13 19
T del pto de Rocío (ºC)
60 50 40 30 20 10
0
Referencia a
0 bar y 20ºC
Temperatura de Rocío
para Aire Comprimido
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17 Aire atmosférico, además de humedad, contiene partículas sólidas en suspensión con diámetros entre 0,001 y 100 µm
Al compresor le entran del orden de 122,5 millones de partículas submicrónicas por metro cúbico de aire
Después de la compresión a 7 bar se tienen 857,5 millones/m 3
En el compresor el aire puede “lubricarse”, y formar un aerosol (0,01 a 0,8 micrones), que no puede separarse por filtros cerámicos o centrifugación
En función de la aplicación, el aire necesita una determinada pureza, que queda clasificada según norma
Calidad del Aire (I)
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ISO8573.1 : 2001 (E)
CALIDAD
PARTÍCULAS SÓLIDAS Número máximo de partículas por m 3
AGUA Punto de rocío ºC (ppm.vol.) a 7 bar man.
ACEITE (incluye vapor)
mg/m 3 0.1-0.5 µm 0.5-1.0 µm 1.0-5.0 µm
1 100 1 0 -70 (0.3) 0,01
2 100.000 1.000 10 -40 (16) 0,1
3 - 10.000 500 -20 (128) 1
4 - - 1.000 +3 (940) 5
5 - - 20.000 +7 (1240) -
6 - - - +10 (1500) -
Calidad del Aire (II)
19 CALIDAD
PARTÍCULAS SÓLIDAS AGUA ACEITE
Máximo tamaño µm
Máx. Concen.
mg/m 3
Punto de rocío (ºC)
Máx. Concen.
mg/m 3
1 0,1 0,1 -70 0,01
2 1 1 -40 0,1
3 5 5 -20 1
4 15 8 +3 5
5 40 10 +7 >5
6 - - +10 -
7 - - - -
ISO8573.1
Calidad del Aire (III)
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20 El aire contiene impurezas (óxidos, virutas, …) y humedad, que son perjudiciales para los dispositivos de la instalación
En la toma de aire (aspiración del compresor) hay que instalar un filtro grueso
Se pude disponer un enfriador de aire, mejora el rendimiento del compresor, y seca el aire Si la compresión es por etapas se debe instalar una refrigeración intermedia
En la salida del compresor se instala una unidad de refrigeración, un depósito de purga de condensados, y el depósito acumulador
Finalmente se instala una unidad de mantenimiento: filtro, regulador de presión y lubricador (en deshuso, los nuevos elementos neumáticos no lo necesitan)
Tratamiento del Aire (I)
Entrada de Aire
Filtro
de Aire Enfriador Deshumectador
Compresor
Separador de Aceite
Enfriador Decantador
Purga
Depósito Acumulador
Unidad de Mantenimiento
Suministro a
la Instalación
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21 Filtro de aire: Retiene partículas sólidas y agua
condensada (cambio de dirección, choque, centrifugado, filtro; purga Presión y Tª máxima admisible
Filtros secadores: material adsorbente
Regulador de presión: consigue P estable en la instalación (la P del compresor es mayor que la de uso, el acumulador y el regulador reducen el nº de arranques del compresor
Resortes y membranas Manómetro
Lubricadores: disminuir el desgaste de las partes móviles Fina niebla de aceite en el aire comprimido (efecto Venturi)
Tratamiento del Aire (II)
http://www.sapiensman.com/
neumatica/neumatica34.htm
http://w w w .tic omperu.com/pedido _empresa.php?n=2&id=146&prod=452&idcat=167
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
22 La lubricación sólo se emplea para:
• Cilindros de alta velocidad (>1,5 m/s)
• Cilindros grandes (Ø > 125 mm)
• Máquinas antigüas
Tratamiento del Aire (III) Unidad de Mantenimiento
http://maqlab.uc3m.es/NEUMATICA/Capitulo1/C1_apartado3.htm
Si se lubrica hay que tener cuidado con el aire de escape, ya que contiene aceite, que contamina el aire
del local, y en determinadas condiciones puede arder
23
Exigencias:
• pequeña pérdidas de carga
• gran duración
• fácil cambio o mantenimiento
• protección absoluta del equipo (sin productos corrosivos )
Etapas:
1. Prefiltro, 98% efic. 10 µm 2. Paneles específicos 3. Filtro 98% efic. 4 µm 4. Filtro final 99.7% efic. 2 µm Tratamiento del Aire (IV) Filtros (I)
http://www.atlascopco.com/microsites/images/leaflet%20compressed%20air%20filters_tcm487-1045690.pdf
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
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Los filtros estándar van equipados:
• Deflector centrífugo: separa mecánicamente la mayor parte de los contaminantes, que caen en la zona inferior al pasar a través de las aberturas existentes en el deflector-separador inferior Los condensados decantan en el fondo, donde se extraen manual o automáticamente
(retiene más del 99% de retención del agua)
• Elemento filtrante de plástico sinterizado de 5 micras de porosidad. Retiene en su superficie (fácil limpieza) gran cantidad de contaminantes sin una caída de presión significativa
Tratamiento del Aire (IV) Filtros (II)
http://www.elion.es/descargar/catalogos/catalogos
-representadas/catalogos-pdf/wilkersonG.pdf
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
25
Tratamiento del Aire (IV) Filtros (III)
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
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• Caudal 5 –12 l/s
• Presión de trabajo hasta 10,5 bar
• Temperatura de trabajo hasta 32°C
• Carga adsorbente de gel de sílice
• Vaso de policarbonato transparente
• Brida de desmontaje rápido
• Protección del vaso en chapa perforada
• Punto de rocío a presión atmosférica -43°C
• Temperatura de regeneración +178°C
• Por adsorción:
Tratamiento del Aire (V) Filtros Secadores (I)
http://www.pneumac.qc.ca/catalogues/SuperDry/PDF/FlyerFax.pdf
27
• Por membrana:
Esquema del secador de membrana A: Cabezal (entrada / salida)
B: Caja del filtro C: Nanofiltro
D: Elemento de membrana con tubo central E: Tobera con adaptador
F: Purgador de flotador
(1) El aire comprimido húmedo entra por el cabezal (A) y fluye a través del tubo central (D).
(2) El nanofiltro (C) extrae partículas y aerosoles. El condensado separado se drena (F). El aire comprimido húmedo fluye por el interior de la membrana.
(3) Una parte del aire comprimido se desvía y se expande en la tobera (E).
(4) Este aire de barrido seco se conduce a través de la cara exterior de las membranas (D).
(5) Es decir por el interior pasa el aire comprimido húmedo y por el exterior el aire de barrido seco. Debido a la diferencia de humedad se difunde humedad del aire comprimido al aire de barrido.
(6) El aire comprimido seco sale.
(7) El aire de barrido accede al ambiente.
Tratamiento del Aire (V) Filtros Secadores (II)
http://support.boge.com/www/support/prospekte.nsf/
59EC9E4A185B539CC1257B1F0054064F/$file/369_ES_Dryers.pdf
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
28 El vapor se difunde hacia el exterior a través de la
membrana
En la salida el aire se expande y la humedad condensa bruscamente
Presión máxima de entrada 10,5 bar Presión mínima de entrada 4,1 bar Temperatura de trabajo hasta 52°C
Calidad requerida para el aire a la entrada: ISO Clase 1,- ,1**
Relación de aire usado para purga 20%
Punto de rocío a presión atmosférica -20°C Prefiltro submicrónico recomendado
• Por membrana:
Tratamiento del Aire (V) Filtros Secadores (II)
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29 Están diseñados para la separación de partículas sólidas, agua y
aerosoles de aceite por debajo de 0.01 micras
El máximo contenido de aceite remanente en el aire saliente del filtro es por debajo de 0.01 ppm a 21°C y una presión de 7 bar
El aire entra al interior del elemento filtrante y fluye a través de:
• una pantalla perforada de acero inoxidable
• una capa de microfibras (filtrante)
• una cubierta de plástico esponjoso (aglutinador)
Las partículas de gran tamaño caen al fondo del vaso. La extracción de los condensados se realiza con purga automática por flotador La duración del elemento filtrante es limitada, se recomienda la instalación previa de un filtro estándar para alargar la vida
Un indicador de presión diferencial sirve para saber el estado de saturación del elemento
• Coalescente
Tratamiento del Aire (VI) Filtros Submicrónicos (I)
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
30 El aire proporcionado por estos filtros es muy limpio con bajo contenido de aceite (inferior a 0,003 ppm a 20ºC y 7 bar de presión)
El aire comprimido después de pasar por un filtro submicrónico, todavía puede contener vapores de aceite y/o olores relacionados con el vapor de aceite de engrase del compresor
El elemento filtrante posee un granulado de carbón activado, soportado por microfibras neutras de borosilicato estratificado. En los elementos de tamaños menores, el granulado de carbón activado está contenido dentro de una cápsula de plástico con insertos de filtro en plástico poroso
El elemento filtrante solo puede retener partículas gaseosas secas. Si el flujo del aire transporta líquidos pierde su eficacia, por lo que estos filtros se deben instalar a continuación de un filtro submicrónico
• Carbono activo, desecante
Tratamiento del Aire (VI) Filtros Submicrónicos (II)
http://www.elion.es/descargar/catalogos/
catalogos-representadas/catalogos-pdf/
wilkersonG.pdf
31 Prefiltro
(5 micras) F. submicrónico F. Submicrónico carbón activado Manómetro diferencial
• Instalación:
Filtros Submicrónicos (II) Tratamiento del Aire (VI)
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
32 Eficiencia entre el 98 y 99% con
partículas entre 10 y 50 μm
Tratamiento del Aire (VII) Filtros de Aceite
http://www.valin.com/Newsletters/2012/November/Life-
Science/Parker-Domnick-Hunter-Oil-X-Air-Filters.PDF
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
33 Aseguran un contenido elevado de macropartículas de aceite
suspendidas dentro del flujo del aire comprimido, permitiendo así una adecuada lubricación interna, de los dispositivos accionados con aire comprimido
La lubricación puede considerarse eficaz hasta distancias de unos 7 metros, no obstante las partículas de tamaño más pequeño pueden llegar a distancias muy superiores
Una vez ajustada a voluntad la proporción aire/aceite, la pulverización de aceite se regula automáticamente en función de las variaciones de caudal
Venturi
La lubricación sólo se emplea para:
• Cilindros de alta velocidad (>1,5 m/s)
• Cilindros grandes (Ø > 125 mm)
• Máquinas antigüas
Tratamiento del Aire (VIII) Lubricadores (I)
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
34 El aceite tiene en el depósito la misma presión de la entrada a
través de una válvula de presurización
La diferencia de presión entre la entrada y la salida, creada al circular el aire, obliga al aceite a ascender a través del filtro y tubo sifón y caer por el goteador
Hay un tornillo de regulación con punta de aguja que permite dosificar, con precisión, la intensidad del goteo, o sea la riqueza de aceite pulverizado en el flujo de aire
Si se lubrica hay que tener cuidado con el aire de escape, ya que contiene aceite,
que contamina el aire del local, y en determinadas condiciones puede arder
Tratamiento del Aire (VIII) Lubricadores (II)
35
Normal:
código verde
P 1 P 2
P 1 P 2
Micro:
código rojo
P 1 P 3
P 1
P 2 Tratamiento del Aire (VIII) Lubricadores (III)
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
36
2
4 6
8
10 40 80
120 lbf/in2
P1
barP2
2
4 6
8
10 4080
120 lbf/in2 bar
P1 P2
2
4 6
8
10 4080
120 lbf/in2 bar
P1 P2
Aumento de presión
Presión estabilizada Al apretar aumenta
el orificio de paso
Reguladores de Presión (I)
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
37
P1 P2
2
4 6
8
10 4080
120 lbf/in2 bar
2
4 6
8
10 4080
120 lbf/in2 bar
P1 P2
2
4 6
8
10 40
80 120 lbf/in2
P1
barP2
Reducción de presión
Presión estabilizada Al soltar disminuye
el orificio de paso Reguladores de Presión (II)
BLOQUE 1: Neumática 1.- Neumática Industrial 1.2.- Tratamiento del Aire
38
P1 P2
2 4 6
8 10 4080
120 lbf/in2 bar